R22、R410A和R290在水平圆管内冷凝数值模拟

尚少文,荣来誉,朱 晨,钱 浩

(1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168;2.成都基准方中建筑设计有限公司杭州分公司,浙江 杭州 310000)

制冷剂R22对环境的危害非常大,各国专家都试图寻找可以用来替代R22的制冷剂。在欧美等国家,以R410A、R290等制冷剂为实验对象,分析得出制冷剂R410A具有较好的传热性以及较小的压力损失,制冷剂R290 具有良好的环境性能和热物性[1-2]。此外,实验对比水平螺纹管和水平强化涟漪管与光滑管的冷凝换热特性和压降情况[3-4]。梁宾等[5]从多个方面对制冷剂R410A、R290和R32进行实验研究,其结果表明这些制冷剂适合做R22的替代制冷剂。肖航[6]实验研究了R290、R1234ze和R22压降和换热性能,结果表明压降及换热性能均与质量流率及干度成正比,与饱和温度成反比。张会勇等[7]实验研究制冷剂R410A和R22质量流速和干度的影响,结果表明在较高干度和较高质量流速时R22的压降大于R410A。刘建等[8]以制冷剂R410A和R22为研究对象,对比实验测试和仿真模拟,结果表明通过7.0 mm强化管R410A比通过9.52 mm强化管R22所提高的蒸发冷凝换热量高。邹思凯[9]实验研究了制冷剂R290在水平管内的不同影响因素下冷凝换热特性,实验表明制冷剂R290冷凝换热系数会受到质量流量、干度、热流密度、管径的影响。J.R.Thome等[10]通过对两相流沸腾和冷凝的仿真模拟,得到了适用于环状流的统一模型。B.C.Nguyen等[11]研究了R32、CO2和R290在微通道中的传热系数,对比分析了传热系数随质量流量和热流量的变化情况。此外,许多学者对其他制冷剂在各种换热器中的冷凝换热情况进行了大量的实验研究[13-22]。制冷剂冷凝换热的效果受很多种影响因素的影响,笔者分析了各影响因素对水平管内的凝结换热和压降情况的影响。

1 建立模型

近壁区的流体流动情况和中心气核部分的流动情况都对换热效果有影响,所以笔者建立的湍流模型仿真模拟选用SSTk-ω模型,多相流模型选择VOF模型,VOF模型已经广泛应用于两相流流动过程的模拟,在该模型中计算单元中,各相的体积分数总和为1,即气相和液相的体积分数总和为1。笔者针对水平圆管冷凝换热中气液界面的传热传质问题采用了Lee模型。Lee模型假设了气液界面的温度为饱和温度,设置相变因子为1000,水平圆管冷凝换热中气液界面的传热传质表达式为

(1)

式中:Sm为质量守恒方程中的相变质量源项;r为相变因子;αl、αg分别是液相和气相的体积分数;T为气、液相温度,K;Tsat为饱和温度,K;ρ1为液相密度,kg/m3;ρv为汽相密度,kg/m3。

2 结果分析

模拟采用AnsysWorkbench软件,建立了长为1 m,内径为10 mm的水平圆管几何模型,制冷剂工质的物性由REFPROP软件确定。数值仿真模拟采用的是Fluent软件,经过后期处理,运用Origin软件绘制得到散点图。

2.1 质量流量影响

由于制冷剂质量流量发生变化对水平圆管冷凝换热中气液界面的换热和压降有影响,所以对质量流量进行研究。在其他条 件不变的情况下,在0.041 8 kg/s,0.084 kg/s,0.126 kg/s不同的质量流量情况下进行数值模拟,得到3种制冷剂在不同质量流量下的压降和传热系数情况。图1为3种制冷剂在不同质量流量下压降的变化情况。

图1 制冷剂在3种质量流量下的压降

在控制其他变量相同的条件下,当质量流量增大时,制冷剂的管内压降会随之增大,这是由于流体的流速随着质量流量的增大而增大。同时可以看出3种制冷剂随着质量流量增大,压差也随之增大,这是由于3种制冷剂的物性有所不同,R22、R410A和R290的气相和液相密度有所差异,导致在相同质量流量条件下流动速率有所不同,R290大约是R22的两倍,而压降受流动速率影响很大,所以在压降方面R290要远大于其他两种制冷剂。

图2为3种制冷剂在3种质量流量下传热系数的变化情况。

图2 制冷剂在3种质量流量下的传热系数

当其他变量相同时,传热系数随着质量流量的增大而增大。这是由于当质量流量增大时,积聚在水平圆管底部的液膜厚度变小,这就使传热过程的换热热阻减小从而导致传热系数的增大。同时也可以看出R290的换热效果最好,R410A和R22的曲线较近说明在换热效果方面差距比较小,并且R410A略好一些。

图3为不同质量流量的制冷剂R22在水平管中距离进口0.65 m横截面处的气液体积分布情况。

图3 制冷剂在3种质量流量下的气液体积分布云图

对比发现在控制其他变量相同的条件下,沿蒸汽在水平圆管内的流动方向,高温蒸汽不断地与低温管壁换热进行热量交换,被冷却降温,最终相变成液体。由连续性方程可知,高温蒸汽的流速会不断下降,同时由于冷凝的液体不断增多,在重力的作用下会在水平圆管的底部沉积,液膜厚度增加。在其他条件不变时,随制冷剂质量流量的增大,水平圆管底部的液膜厚度由于剪切力的作用会不断缩小,由液膜产生的热阻会随之减小,换热效果提升。同时水平圆管内的压降会随之增大,这是由于制冷剂质量流量的增大会导致流速增大,压降增大。

2.2 干度影响

笔者在干度为0.6和0.9的情况下进行了数值模拟并进行对比分析。图4为3种制冷剂在不同干度下压降的变化情况。

图4 制冷剂在两种干度下的压降Fig.4 Effect of dryness on pressure drop

在控制其他变量相同的条件下,管内压降随着干度的增大而增大,这是由于随着工质密度的减小,由流量连续性方程可知会导致工质的流速变大,湍流作用也会变得更大,气液之间的相互作用随之增强,最终导致压降增大。并且可以看出3种制冷剂的压降由高到低为R29、R22、R410A。

图5为3种制冷剂在2种干度下传热系数的变化情况。在控制其他变量相同的条件下,传热过程的传热系数随干度的增大而增大,这是由于干度增大后,表面张力对工质的作用增大,从而导致传热系数减小。同时可以看出R290的传热系数最大,R22在换热方面与R410A比较相近,R22传热系数略低。

图5 制冷剂在两种干度下的传热系数Fig.5 Effect of dryness on heat transfer coefficient

图6为不同干度的制冷剂R22在水平管中距离进口0.65 m横截面处的气液体积分布情况。从图中可以看出,干度为0.9时的液膜厚度要远小于干度为0.6时的液膜厚度,原因是因为制冷剂表面张力会随干度的增大而增强,表面张力越强液体的体积越小,液膜越薄,而换热热阻会随之减小,换热效果提升。同时管内的压降也会随着干度的增加而增大,由于制冷剂的密度会随干度的增加而减小,根据连续性方程可知,制冷剂的流速会随密度的减小而增大,流速增大扰动能力增强,压降增大。

图6 制冷剂在两种干度下的气液体积分布云图

2.3 管径影响

对管径的仿真模拟选择了6 mm、8 mm和10 mm的管径进行对比。图7为3种制冷剂在不同管径下压降的变化情况。

图7 制冷剂在3种管径下的压降

在控制其他变量相同的条件下,压降随管径的增大而减小,这是由当管径变大时,流体流速减小,重力的作用相对增强,表面张力和剪切力的作用相对减小,从而导致压降的减小。同时可以看出制冷剂R290的压降是最大的,制冷剂R410A与R22的在压降方面相差较小,R410A压降稍低。

图8为3种制冷剂在3种管径下传热系数的变化情况。在控制其他变量相同的条件下,传热系数随管径的减小而增大,这是由于在相同的质量流量条件下,随着管径的不断缩小,水平圆管内的制冷剂流速会不断增大,增大的流速会增强剪切力、表面张力和扰动能力的作用,圆管底部的液膜厚度会随之减小,由其产生的热阻会减小,换热效果提升。

图8 制冷剂在3种管径下的传热系数

图9为制冷剂R22在不同管径的水平管中距离进口0.65 m横截面处的气液体积分布情况。制冷剂气液界面处的剪切力、表面张力、重力等作用力会随水平圆管管径的变化而改变,从而影响换热效果和压降大小。水平圆管内压降在管径为6 mm最大,其次为8 mm,最小为10 mm,这是由于在相同的质量流量条件下,制冷剂的流速会随水平圆管管径的减小而增大,增大的流速会增强剪切力、表面张力和扰动能力的作用,剪切力、表面张力作用增大会使环状流状态的区域增加,从而水平圆管底部的液膜厚度消减,热阻减小,同时扰动能了会增强换热,最终增强了换热效果。

图9 制冷剂在3种管径下的气液体积分布云图

3 结 论

(1)在控制其他变量相同的条件下,质量流量的增大会导致水平圆管内制冷剂流速增大、液膜变薄,换热效果增强,但压降会随之增大。

(2)在控制其他变量相同的条件下,随着干度的增大,水平圆管内的压降和换热过程的换热系数也会增大,但管内的压降和换热效果随干度变化相对较小。

(3)在控制其他变量相同的条件下,水平圆管管径的减小会增强制冷剂汽液界面剪切力、表面张力和扰动能力的作用,从而提升换热效果,但管内压降会随之增大。

(4)3种制冷剂中R290的换热效果最好,同时压降也最大,R22与R410A的换热效果和压降的差距较小,其中R22的传热系数和压降都比R410A要稍小一些。